渦輪發動機

渦輪發動機（Turbine engine，或常簡稱為Turbine）是一種利用旋轉的機件自穿過它的流體中汲取動能的發動機形式，是內燃機的一種。常用作飛機與大型的船舶或車輛的發動機。

基本介紹

• 中文名：渦輪發動機
• 外文名：Turbine engine
• 類屬：工業產品
• 組成：壓縮機、燃燒室、渦輪機
• 噴氣發動機：主要用於戰鬥

組成

所有的渦輪發動機都具備壓縮機(Compressor)、燃燒室(Cumbustion)、渦輪機(Turbine，也就是渦輪發動機之名的來源)三大部份。壓縮機通常還分成低壓壓縮機(低壓段)和高壓壓縮機(高壓段)，低壓段有時也兼具進氣風扇增加進氣量的作用，進入的氣流在壓縮機內被壓縮成高密度、高壓、低速的氣流，以增加發動機的效率。氣流進入燃燒室後，由供油噴嘴噴射出燃料，在燃燒室內與氣流混合併燃燒。燃燒後產生的高熱廢氣，接著會推動渦輪機使其旋轉，然後帶著剩餘的能量，經由噴嘴或排氣管排出，至於會有多少的能量被用來推動渦輪，則視渦輪發動機的種類與設計而定，渦輪機和壓縮機一樣可分為高壓段與低壓段。

雖然渦輪發動機可能有許多不同的運作原理，但最簡單的渦輪型式可以只包含一個“轉子”（Rotor），例如一個帶有中心軸的扇葉，將此扇葉放置在流體中（例如空氣或水），流體通過時對扇葉施加的力量會帶動整個轉子開始轉動，進而得以從中心軸輸出軸向的扭力。風車與水車這類的裝置，可以說是人類最早發明的渦輪發動機原型。

依照不同的分類方式，渦輪發動機也可以分類成很多不同的型式。例如以燃燒室與轉子的位置是否在一起進行區別，就存在有屬於外燃機一類的燃氣渦輪發動機（Gas turbine）和屬於內燃機一類的渦輪風扇發動機（Turbofan）。

如果將渦輪發動機反過來運作，則會變成一種輸入力量之後可以將流體帶動的設備，例如壓縮機與泵。

有些渦輪發動機本身具有多組扇葉，其中部分是用於自流體汲取動力，部分是用於推動流體，二者不能混為一談。舉例來說在大部分的渦輪扇葉發動機與渦輪螺旋槳發動機中，位於燃燒室之前的扇葉實際的作用是用於加壓進氣，因此應被視為是一種壓縮機。真正的渦輪機部分是位於燃燒室後方的風扇，被燃燒後的排氣推動產生動力，再透過傳動軸將力量輸送至主扇葉（渦輪風扇發動機）或螺旋槳（渦輪旋槳發動機）處，推動其運轉。

性能介紹

工作原理

渦輪增壓發動機是一個空氣壓縮機，它利用發動機排出的廢氣作為動力來推動位於排氣道內的渦輪，渦輪轉動的同時帶動位於進氣道內同軸的葉輪，葉輪壓縮由空氣濾清器管道送來的新鮮空氣，再送入氣缸。當發動機轉速加快，高速的廢氣推動渦輪提速，廢氣排出速度與渦輪轉速同步加快，空氣壓縮程度得以加大，發動機的進氣量就相應地增加，氣缸內燃燒更充分，動力輸出就更高。

優勢

內燃機是一種耗氣機械，由於燃油需要與空氣混合才能完成燃燒衝程一旦空燃比達到某一值後，再增加燃油，不但不會產生更多功率，還將黑煙和未燃盡的燃油排到大氣中。發動機供油越多黑煙就越濃。因此，當超過空燃比極限後，繼續供油不但消耗更多燃油、使柴油機壽命縮短，還會嚴重污染大氣。

渦輪增壓的最大優點是它可在不增加發動機排量的基礎上，大幅度提高發動機的功率非增壓發動機通過曲軸的運動直接從大氣中吸進空氣而渦輪增壓發動機由渦輪增壓器向發動機提供壓縮空氣。由於進入氣缸的空氣增多所以允許噴入較多的燃油使發動機產生較多的功率並具有較高的燃燒效率。這意味著一台尺寸和重量相同的發動機經增壓後可以產生較多的功率或者說一台小排量發動機經增壓後可產生與較大發動機相同的功率。由於渦輪增壓器為發動機提供了更多的空氣燃油在發動機氣缸里燃燒時會燃燒得更充分、更徹底。其它還有節約燃油和降低排放等優點。

渦輪增壓器可使非增壓發動機在高原上工作時得到氧氣補償發動機和渦輪增壓器相匹配使進氣管壓力保持海平面大氣壓。而一台自然吸氣的發動機隨著海拔高度的增加其功率將下降。增壓系統技術類型主要由以下幾種。

主要分類

按照發動機燃料燃燒所需的氧化劑的來源不同可分為火箭發動機和空氣噴氣發動機。火箭發動機自帶氧化劑。火箭發動機根據氧化劑和燃燒劑的形態不同，又分為液體火箭發動機和固體火箭發動機。

渦輪發動機近來也被用來用作大型發電機。

渦輪噴氣發動機

（主要用於戰鬥機，以及超音速客機，例如協和號）；

這類發動機具有加速快、設計簡便等優點，是較早實用化的噴氣發動機類型。但如果要讓渦噴發動機提高推力，則必須增加燃氣在渦輪前的溫度和增壓比，這將會使排氣速度增加而損失更多動能，於是產生了提高推力和降低油耗的矛盾。因此渦噴發動機油耗大，對於商業民航機來說是個致命弱點。

渦輪風扇發動機

（主要用於民用噴氣式飛機和轟炸機、預警機等，是套用最為廣泛的渦輪發動機）

渦輪風扇發動機的妙處，就在於既提高渦輪前溫度，又不增加排氣速度。渦扇發動機的結構，實際上就是渦輪噴氣發動機的前方再增加了幾級渦輪，這些渦輪帶動一定數量的風扇。風扇吸入的氣流一部分如普通噴氣發動機一樣，送進壓氣機(術語稱“內涵道”)，另一部分則直接從渦噴發動機殼外圍向外排出(“外涵道”)。因此，渦扇發動機的燃氣能量被分派到了風扇和燃燒室分別產生的兩種排氣氣流上。這時，為提高熱效率而提高渦輪前溫度，可以通過適當的渦輪結構和增大風扇直徑，使更多的燃氣能量經風扇傳遞到外涵道，從而避免大幅增加排氣速度。熱效率和推進效率取得了平衡，發動機的效率得到極大提高。效率高就意味著油耗低，飛機航程變得更遠。 從結構上看，目前渦扇發動機可分為單轉子、雙轉子、三轉子。

渦輪風扇發動機可以再細分為不加力式和加力式。前者不僅渦輪前溫度較高，而且風扇直徑較大，涵道比可達8以上，這種發動機的經濟性優於渦輪噴氣發動機，而可用飛行速度又比活塞式發動機高，在現代大型幹線客機、軍用運輸機等最大速度為M0.9左右的飛機中得到廣泛的套用。根據熱機的原理，當發動機的功率一定時，參加推進的工質越多，所獲得的推力就越大，不加力式渦輪風扇發動機由於風扇直徑大，空氣流量就大，因而推力也較大。同時由於排氣速度較低，這種發動機的噪音也較小。加力式渦輪風扇發動機在飛機巡航中是不開加力的，這時它相當於一台不加力式渦輪風扇發動機，但為了追求高的推重比和減小阻力，這種發動機的涵道比一般在1.0以下。在高速飛行時，發動機的加力打開，外涵道的空氣和渦輪後的燃氣一同進入加力燃燒室噴油後再次燃燒，使推力可大幅度增加，甚至超過了加力式渦輪噴氣發動機，而且隨著速度的增加，這種發動機的加力比還會上升，並且耗油率有所下降。加力式渦輪風扇發動機由於具有這種低速時較油耗低，開加力時推重比大的特點。

渦輪螺旋槳發動機（主要用於螺旋槳飛機，很多舊型號的活塞式螺旋槳發動機後來都經改造安裝上了渦槳發動機從而延長了飛行壽命）；

渦輪軸發動機（主要用於直升機）

此外還有螺旋槳及風扇組合的漿扇發動機

從噴氣推進方式來講，還有：

衝壓噴氣發動機（主要用於飛彈和靶機），採用間歇燃燒原理的脈衝噴氣發動機，以及不同類型組合的發動機，如渦輪/衝壓噴氣發動機。

主要參數

發動機壓力比：壓力比是在發動機上兩個不同地點之間的壓力關係。

EPR=Pt7/Pt2(普惠公司JT系列)

EPR=Pt4.95/Pt2（PW4000系列）

發動機涵道比：是指渦輪風扇發動機通過外涵的空氣品質流量與通過內涵的空氣品質流量之比。涵道比為1左右是低涵道比發動機，2~3左右是中涵道比發動機，4以上是高涵道比發動機。

發動機排氣溫度：用EGT來表示。渦輪進口總溫是發動機最重要、最關鍵的參數，但是由於這裡溫度高，溫度場不均勻，目前實際是測量渦輪排氣溫度間接反映渦輪進口溫度的高低，限制EGT以保證渦輪進口溫度不超過限制。

風扇轉速：用n1表示。對於高涵道比渦扇發動機，由於風扇產生推力占絕大部分，風扇轉速也是推力表征參數，在駕駛艙顯示。

通常部件有：進氣道、風扇、低壓壓氣機、高壓壓氣機、燃燒室、高壓渦輪、低壓渦輪、噴管以及附屬檔案傳動部分。壓氣機、燃燒室組成核心發動機。